Способ бескалибровочного радиометрического измерения эффективного коэффициента излучения шероховатой подстилающей поверхности

Изобретение относится к способам обработки данных дистанционного радиометрического зондирования поверхности Земли. Сущность: радиометр располагают над подстилающей поверхностью на такой высоте, при которой вкладом слоя атмосферы в радиометрический сигнал от поверхности можно пренебречь. При зондировании вниз измеряют радиометрический сигнал от подстилающей поверхности при заданных значениях угла падения, азимута и поляризации. При зондировании вверх измеряют радиометрический сигнал от атмосферы при заданных значениях зенитного угла, азимута и поляризации. Дополнительно измеряют или рассчитывают радиометрический сигнал от черного тела, имеющего термодинамическую температуру подстилающей поверхности. С использованием вышеуказанных параметров рассчитывают эффективный коэффициент излучения подстилающей поверхности. Технический результат: определение эффективного коэффициента излучения подстилающей поверхности на основании прямых измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к методам дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в том числе из космоса. Может применяться в задачах радиометрического зондирования Земли с целью получения метеопараметров атмосферы: влажности, водозапаса облачности, интенсивности осадков, а также для получения параметров подстилающей поверхности: ее температуры, скорости и направления ветра над океаном, параметров растительности или снежных покровов. В частности, к вопросу учета влияния параметров атмосферы и подстилающей поверхности при расчете эффективного коэффициента излучения такой поверхности и расчете собственного излучения, регистрируемого на спутнике.

При дистанционном зондировании Земли из космоса многоволновыми радиометрическими методами проводится решение обратных задач, в которых необходимо знание информации об эффективном коэффициенте излучения Еэф подстилающей поверхности (или об эффективном коэффициенте отражения (Rэф = 1 - Еэф) и его зависимости от параметров атмосферы и подстилающей поверхности (углов зондирования, температуры подстилающей поверхности, от степени шероховатостей или взволнованности морской поверхности, которая зависит от скорости и направления ветра V и т.д.).

Известны методы расчета коэффициента излучения Еэф или Rэф для взволнованной поверхности моря по известной функции уклонов Ф(γ), которая, в свою очередь, зависит от вектора скорости ветра V [1]. Недостатком данного способа является неопределенность параметров данной функции и границ применимости метода, кроме того, сложность учета капиллярных волн.

Наиболее близким аналогом является способ определения эффективного коэффициента излучения взволнованной поверхности моря по совместным измерением радиометрических сигналов (яркостной температуры) с борта космического аппарата и наземным данным о параметрах взволнованной поверхности [2]. Указанные измерения коэффициента излучения взволнованной поверхности моря являются непрямыми, подвержены влиянию многих факторов, например неопределенности параметров атмосферы, неоднородности поверхности в различных частях элемента разрешения, который обычно составляет не менее 100 км2. Это приводит к значительному разбросу результатов и погрешностям расчетов.

Технический результат предложенного способа заключается в прямом характере измерений, в гармоническом соответствии измеряемого эффективного коэффициента излучения или эффективного коэффициента отражения с их величинами, которые требуются при решении обратных задач многоволнового радиометрического зондирования Земли из космоса.

Для достижения технического результата предлагается способ бескалибровочного прямого радиометрического измерения эффективного коффициента излучения шероховатой (или взволнованной морской) подстилающей поверхности для заданных углов падения θ и азимута α и заданных параметрах вектора поляризации p, основанный на измерении радиометрического сигнала от подстилающей поверхности Us(θ, α, p) при заданных параметрах,

при котором радиометр располагают над поверхностью на высоте Н, при которой вкладом слоя атмосферы (0, Н) в радиометрический сигнал от поверхности можно пренебречь, дополнительно при данном азимуте α и тех же параметрах поляризации p измеряют радиометрический сигнал от атмосферы Ua(θ, α, p) под зенитным углом θ, дополнительно измеряют радиометрический сигнал U0 от черного тела, имеющего термодинамическую температуру шероховатой поверхности Т0, а эффективный коэффициент излучения определяют по формуле:

Второй вариант заключается в измерении радиометрических сигналов U01 и U02 не от одного, а от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т1 и Т2, соответственно, а радиометрический сигнал U0 от черного тела с термодинамической температурой Т0 вычисляют по линейному закону:

Предложенные методы позволяют измерять также эффективный коэффициент отражения шероховатой поверхности Rэф, поскольку Rэф = 1 - Еэф.

Нередко подстилающая поверхность имеет перемежаемые свойства (например, ледяные торосы, сельскохозяйственные или лесные массивы). В этом случае для усреднения эффективного коэффициента излучения по неоднородной подстилающей поверхности (или поверхности с перемежаемыми свойствами) радиометр устанавливают на подвижный носитель, а полученные величины усредняют.

Предложенные методы позволяют в процессе измерений автоматически учитывать ширину диаграммы направленности антенной системы радиометра и дополнительный вклад атмосферы, обусловленный шероховатым характером поверхности.

На фиг. 1 изображен радиометр 1, который установлен на платформе 2 на высоте Н, при которой вкладом слоя (0, Н) в радиометрический сигнал можно пренебречь. Радиометр может изменять направление зондирования как по углу азимута α, так и по зенитному углу θ. При зондировании вниз под углом падения θ измеряют радиометрический сигнал Us(θ, α, p) от шероховатой поверхности 3, при зондировании вверх под зенитным углом θ и азимутом α измеряют радиометрический сигнал Ua(θ, α, p) от атмосферы. При зондировании в направлении черного тела 4, которое имеет температуру, равную температуре подстилающей поверхности Т0, получают радиометрический сигнал U0.

На фиг. 2 представлены экспериментальные угловые зависимости эффективного коэффициента излучения взволнованной морской поверхности Еэф (θ, α, p, V) от угла падения θ для вертикальной и горизонтальной поляризаций при различных скоростях ветра. Скорость ветра V измерена на высоте 10 метров над уровнем моря и указана точками различной формы: кружки соответствуют скорости ветра V = 1 м/с, ромбы - 5 м/с, а прямоугольники получены при скорости ветра 15 м/с.

Известно, что яркостную температуру, измеряемую радиометром Тя,s при измерении вниз в сторону поверхности, при принебрежении вкладом слоя (0, Н) можно описать соотношением:

где Т0 - термодинамическая температура поверхности, Тя,а - яркостная температура атмосферы, отраженная от шероховатой поверхности с коэффициентом отражения Rэф = 1 - Еэф. Из уравнения (1) получаем:

Радиометр обладает тем свойством, что его сигнал U пропорционален яркостной температуре излучения Тя, падающего на его премную антенну. Следовательно, радиометрические сигналы от поверхности Us(θ, α, p), атмосферы Ua(θ, α, p) связаны с Тя, s и Тя, s соотношениями:

где величины А и В - постоянны. Подставляя (3) в соотношение (2), получим:

где мы учли, что величина А + В⋅Т0 будет формироваться сигналом, яркостная температура которого равна термодинамической температуре Т0 подстилающей шероховатой поверхности. И именно такой радиометрический сигнал U0 формирует абсолютно черное тело, имеющее температуру Т0.

Примером использования предложенного способа могут явиться натурные измерения, проведенные 6-8 сентября 2016 года на морской платформе, установленной вблизи г. Кацивели, Крым. Радиометр работал на частоте 37,5 ГГц, регистрировал две поляризации, вертикальную и горизонтальную, и был установлен на высоте Н = 16 метров над уровнем моря, фиг. 1. Платформа с радиометром могла поворачиваться по углу места β от +90° (зенит) до -90° (надир), и по углу азимута α в интервале углов 0-360°. Регистрировались также сигналы от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т1 = 286,5° и Т2 = 323,0° Сканирование морской поверхности и атмосферы проводилось по углу места β от -70° до +90°, а по углу азимута в интервале Δα = 90°-270°. Обработка радиометрических сигналов проводилась раздельно для каждой поляризации по следующей схеме. Для некоторого фиксированного азимута αi проводился вертикальный разрез с изменением угла места β от -70° до +90°. При зондированиии вниз, для каждого -70° ≤ βj ≤ -10°, что соответствовало углам падения на поверхность 20° ≤ θj ≤ 80°, регистрировались сигналы Usj, αi, р). При зондировании вверх регистрировались сигналы под углами Uaj, αi, p), где угол θj - зенитный угол. Дополнительно измерялись радиометрические сигналы U01 и U02 от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры Т1 и Т2, соответственно, а радиометрический сигнал U0 от черного тела с термодинамической температурой Т0 вычислялись по линейному закону:

Зависимость эффективного коэффициента излучения поверхности от угла θj при различных скоростях ветра V вычислялась по формуле (4) для конкретных углов:

На фиг. 2 приведены экспериментальные зависимости Еэфj, αi, p, V) от угла падения θ, полученные для различных поляризаций и при различных скоростях ветра в период 6-8 октября 2016 г.

Полученные зависимости Еэфj, αi, p, V) обладают преимуществом перед традиционными методами измерения, связанными с тем, что они прямые, не требуют учета сторонних неконтролируемых факторов, не зависят от состояния атмосферы, а определяются только состоянием подстилающей поверхности. Это относится, например, к вычислению ветровых добавок в яркостную температуру или азимутальной анизотропии, связанной с направлением волнения. Способ может применяться к поверхности земли, сельскохозяйственным посадкам и другим шероховатым поверхностям.

Полученные предложенным способом зависимости Еэф(θ, α, p, V, λ, T, S) (где θ, α, p, V, λ, Т, S - угол падения на поверхность, азимут, вектор поляризационных параметров, скорость ветра, длина волны излучения, температура подстилающей поверхности, соленость или влажность поверхности, соответственно) автоматически учитывают как диаграмму направленности антенны, так и влияние шероховатости поверхности, поэтому гармонично соответствуют задачам радиометрического зондирования из космоса.

Изобретательский уровень предлагаемого изобретения подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

Литература

1. Садовский И.Н. Особенности учета вклада длинноволновых компонент волнения в приращение излучательной способности морской поверхности. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. РАН. 2012. Т. 9. №1. С. 228-239.

2. Meissner Т., Wentz F.J. The emissivity of ocean surface between 6 and 90 GHz over a large range of wind speed and earth incidence angles. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. Vol. 50. No.8. 2012, pp. 3004-3026.

Способ бескалибровочного радиометрического измерения эффективного коэффициента излучения шероховатой (или взволнованной) подстилающей поверхности для заданных угла падения θ и азимута α и заданной поляризации p, основанный на измерении радиометрического сигнала от подстилающей поверхности Us(θ, α, p) при заданных параметрах, отличающийся тем, что радиометр располагают над поверхностью на высоте Н, при которой вкладом слоя атмосферы (0, Н) в радиометрический сигнал от поверхности можно пренебречь, при данном азимуте α измеряют радиометрический сигнал от атмосферы Us(θ, α, p) под зенитным углом θ, дополнительно измеряют радиометрический сигнал U0 от черного тела, имеющего термодинамическую температуру подстилающей поверхности Т0, или измеряют радиометрические сигналы U01 и U02 от двух черных тел, имеющих термодинамические температуры T1 и Т2 соответственно, а радиометрический сигнал U0 от черного тела с термодинамической температурой Т0 вычисляют по линейному закону: ,

при этом эффективный коэффициент излучения определяют по формуле:

.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиофизики и может быть использовано для контроля за солнечной, геомагнитной и сейсмической активностью, предвестников землетрясений, извержения вулканов, цунами, процессов грозовой активности, динамики мощных циклонов, а также для обнаружения ядерных и иных крупных взрывов и пожаров, больших аварийных выбросов на атомных электростанциях, запусков космических аппаратов и ракет, излучений мощных радиопередающих комплексов радиолокационного и связного назначения, средств специального воздействия на ионосферу с целью управления ее параметрами.
Изобретение относится к системам метеорологической радиолокации и может быть использовано для мониторинга метеорологических условий. Достигаемый технический результат – уменьшение массогабаритных размеров элементов системы, уменьшение энергопотребления, отсутствие необходимости постоянного обслуживания, возможность получения информации о локальных метеоусловиях через интернет, возможность анализа низких слоев атмосферы, которые обладают более высокой информативностью.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в автоматизированных системах управления, построенных на принципах сетевой информационной структуры, в части, касающейся передачи и обмена радиолокационной информацией (РЛИ), в автоматизированной системе обработки и обмена радиолокационной информацией (АСОО РЛИ).

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях.

Изобретение относится к метеорологии и может быть использовано в системах мониторинга опасных явлений погоды, а также в исследованиях электрических процессов в атмосфере и геофизических исследованиях.

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении разомкнутого коэффициента усиления по напряжению операционного усилителя.

Изобретение относится к геофизике и может применяться при дистанционном измерении параметров мезосферы и нижней термосферы. Достигаемый технический результат - улучшение высотно-временного разрешения и повышение точности определения скорости турбулентного движения плазмы.

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для получения информации о параметрах атмосферы на разных высотах. Сущность: комплекс содержит машину аппаратную, выполненную на колесном шасси (1) с кабиной (2) и кузовом-фургоном (3), радиозонды, антенну (8) приема сигналов радиозонда, антенну (24) радиостанции.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к океанологическим измерениям, и может быть использовано для контроля солености морской воды на разных акваториях Мирового океана.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке систем радиозондирования атмосферы (CP) построенных на основе применения радиолокационного метода измерения пространственных координат аэрологического радиозонда (АРЗ) и использования сигналов спутниковых навигационных радиоэлектронных систем (СНРС) ГЛОНАСС/GPS для определения текущих координат аэрологического радиозонда (РЗ), направления и скорости ветра, а также передачи координатной и телеметрической информации на наземную базовую станцию (БС).

Радиолокационный уровнемер для измерения объема сыпучих продуктов в резервуарах. Изобретение относится к контролю и измерению объема сыпучих продуктов в резервуарах и может быть использовано в химической, горнодобывающей, строительной отраслях, а также на различных предприятиях, где эксплуатируют резервуары, заполняемые сыпучими веществами.

Изобретение относится к радиолокационному измерителю уровня. Техническим результатом является улучшенное функционирование радиолокационного измерителя уровня в условиях влияния узкополосных помех.

Изобретение относится к способам поиска и обнаружения объекта на местности по монохромному цифровому (с градациями яркости в каждом пикселе) изображению этой местности, например по радиолокационному изображению, формируемому в радиолокаторах с синтезированной антенной за счет многократного излучения на интервале синтезирования зондирующего сигнала и формирования при движении летательного аппарата виртуальной синтезированной антенной решетки.

Изобретение относится к способам поиска и обнаружения объекта на местности по монохромному цифровому (с градациями яркости в каждом пикселе) изображению этой местности, например по радиолокационному изображению, формируемому в радиолокаторах с синтезированной антенной за счет многократного излучения на интервале синтезирования зондирующего сигнала и формирования при движении летательного аппарата виртуальной синтезированной антенной решетки.

Изобретение относится к области радиотехники, и может быть использовано для оценки эффективности радиоподавления линий спутниковой связи в условиях, исключающих деструктивное воздействие на сигналы линий спутниковой связи, а также для подготовки и тренировки экипажей станции помех.

Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра с двумя антеннами, принимающими сигналы в двух частотных диапазонах.

Изобретение относится к пассивным радиотеплолокационным системам наблюдения за объектами с помощью сканирующего радиометра с двумя антеннами, принимающими сигналы в двух частотных диапазонах.
Изобретение относится к системам метеорологической радиолокации и может быть использовано для мониторинга метеорологических условий. Достигаемый технический результат – уменьшение массогабаритных размеров элементов системы, уменьшение энергопотребления, отсутствие необходимости постоянного обслуживания, возможность получения информации о локальных метеоусловиях через интернет, возможность анализа низких слоев атмосферы, которые обладают более высокой информативностью.

Изобретение относится к классу геофизических приборов, предназначенных для исследований, не нарушающих структуры грунта, на глубины от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Изобретение относится к радиолокационным методам изучения водной поверхности с целью обнаружения переменных течений. Достигаемый технический результат заключается в том, что способ позволяет идентифицировать переменные во времени и пространстве морские течения, которые на масштабах порядка сотен метров - единиц километров обычно связаны с распространяющимися внутренними волнами.

Изобретение относится к способам обработки данных дистанционного радиометрического зондирования поверхности Земли. Сущность: радиометр располагают над подстилающей поверхностью на такой высоте, при которой вкладом слоя атмосферы в радиометрический сигнал от поверхности можно пренебречь. При зондировании вниз измеряют радиометрический сигнал от подстилающей поверхности при заданных значениях угла падения, азимута и поляризации. При зондировании вверх измеряют радиометрический сигнал от атмосферы при заданных значениях зенитного угла, азимута и поляризации. Дополнительно измеряют или рассчитывают радиометрический сигнал от черного тела, имеющего термодинамическую температуру подстилающей поверхности. С использованием вышеуказанных параметров рассчитывают эффективный коэффициент излучения подстилающей поверхности. Технический результат: определение эффективного коэффициента излучения подстилающей поверхности на основании прямых измерений. 2 ил.

Наверх